CN106552997A - 基于超短脉冲激光烧蚀原理对金属薄板砂目化处理的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于超短脉冲激光烧蚀原理对金属薄板砂目化处理的方法，该方法是利用超短脉冲激光，在富氧氛围中，或者是在含有氧化剂的透明液体介质中，对厚度在0.1~0.5mm厚的金属薄板进行刻蚀，制备出具有表面平均粗糙度Ra在0.1~1.0μm之间的砂目，砂目形貌可以是类似传统砂目的大小不一的坑凹组成，也可以是圆形、方型、菱形和/或由其组成的不规则的线条性凹槽，凹槽间距在0.1~5.0um不等，凹槽深度在10~500nm之间的砂目结构，以满足平版印刷水墨平衡的需要。本发明具有清洁、加工精确、节能的优点，可以有效降低传统电解氧化法制备砂目的需要消耗大量酸、碱及水的问题，降低了废液处理的压力。

Description

基于超短脉冲激光烧蚀原理对金属薄板砂目化处理的方法

技术领域

本发明属于平版印刷制备技术领域，具体涉及一种基于超短脉冲激光烧蚀原理对金属薄板砂目化处理的方法。

背景技术

在平版印刷领域，不管是PS版、热敏CTP版或者紫激光CTP版等所有胶印版材，都需要将感光层涂布在具有一定粗糙度的金属薄板上。为了使胶印版材具有足够的耐印力、分辨力等印刷性能，通常要对金属版基表面进行阳极氧化及砂目化处理(见CN85100875、CN 201310172866、CN201210308975等)，以满足平版印刷需要的水墨平衡要求。传统的印刷版基的砂目化过程一般为：清洗--除油--清洗--电解砂目--水洗--除灰--水洗--氧化--水洗--封孔--水洗--烘干。在这个过程中，需要使用大量的酸、碱对金属薄板进行预处理，同时还需要大量的水来进行清洗，由此造成废酸、碱的处理而形成较大环保压力，而且使版材整体的成本提高。

不管是传统的电解氧化法制备砂目，还是涂布法（CN201310538062），各有其自身的优缺点。本专利涉及了一种使用超短脉冲激光法进行金属版基的砂目化处理方法，与以前各种砂目化处理方法具有本质的不同。

飞秒激光以其超短脉冲、超强峰值功率、高聚焦能力以及非线性吸收等优点，受到了越来越多的重视。目前，可以实现2.6fs的超短脉冲、10¹⁵W的超强峰值功率以及10²²W/cm²的功率密度。因此，超短脉冲激光在金属、陶瓷等非金属和半导体材料的微加工领域，得到了广泛深入的研究和应用。

通常，按激光脉冲宽窄标准来区分，持续时间大于10ps（相当于热传导时间）的激光脉冲属于长脉冲，小于这个数值的则为超短脉冲激光（以下所述的超短脉冲激光与飞秒激光互为代替）。用长脉冲激光加工材料，由于热效应使周围材料发生变化，从而影响加工精度。脉冲宽度只有几千亿分之一秒的飞秒激光，可以在极短的时间、极小的空间和极端的物理条件下，对靶材进行微区加工，可以说“超快”“超微”与“超强”的组合是飞秒激光微细加工的独到之处。

所谓“超快”，是指飞秒激光在极短的时间和极小的空间内与物质发生了相互作用，作用区域内的温度瞬时急剧升高，并远远超过靶材的熔化和汽化温度，使得作用区内的物质处于高温、高压和高密度的等离子体状态，材料内部原有的束缚力根本不能束缚这种“物质”，这种高能量的电子、等离子体瞬时向外喷发，得到去除。就是说，瞬间传输给靶材的能量，还没有转化成热传导，就已经停止“加热”了。由于电子、等离子体的极速喷发，带走了原来吸收的几乎全部的激光能量，因此作用区域内的温度即刻降低，基本能恢复到激光作用前的初始温度。在这一极短“升温、降温”过程中，完全避免了热量的吸收、转化、传播，实现了相对意义上的“冷”加工，大大降低和消除了传统激光加工中热效应带来的诸多负面影响。

所谓“超微”，是指加工尺寸的亚微米特征和3D空间分辨率。由于超短脉冲激光的强度在空间上呈高斯型分布，即入射激光经过聚焦后，能量强度最大的位置在焦斑中心，从焦斑中心向边缘方向，强度逐渐减弱。如果调节入射激光束，使得焦斑的中心强度（即束腰半径）刚好满足材料的多光子电离阈值，则被激发或刻蚀的区域就会仅限于焦点中心位置的很小部分内，而非整个聚焦光斑所辐照的区域，即入射激光只有在该点位置才能获得较高的功率密度。因此，通过调节束腰半径的大小，使靶材发生多光子吸收和电离，从而实现材料表面或内部三维空间上任意部位的超精细加工，使得飞秒激光加工过程具有严格的空间定位能力，就可以加工出亚微米甚至纳米尺寸的细微结构。

所谓“超强”，是指飞秒激光脉宽可短至4 fs以内，峰值功率高达拍瓦量级(1 PW=10¹⁵W),聚焦功率密度达到10²²W /cm²。将如此巨大的飞秒激光能量，快速、准确地聚焦在限定的微小区域内，其作用区域的物质瞬间汽化蒸发，是一种“冷”加工方式，加工精度非常高，甚至可以突破衍射极限、获得比焦斑尺寸还小的作用区域。

因此，飞秒激光在金属（合金）、非金属(包括透明和非透明材料)、陶瓷和半导体等材料表面和内部，可以实现对靶材破坏或改性的目的。由于超短脉冲激光的脉冲持续时间非常短，能量在时间上高度集中，在同等能量的条件下，超短脉冲激光的峰值强度，约是纳秒长脉冲的10⁵倍，并可一次性直接写入成型，且整个加工过程中没有牺牲层；另外，飞秒激光适应性好，可以直接与CAD等制图软件对接。此外，与传统的光刻技术相比，超短脉冲激光还具有与靶材非接触，节能、清洁无污染、加工精确、不需要真空等优点，因此应用越来越广泛。

CN200810152327.5 公开的一种利用飞秒激光在金属材料表面制备微/纳结构的方法，需要预先对金属版基进行清洗，然后在空气氛围中对其表面进行刻蚀，没有强调刻蚀后产生一定量的氧化物覆盖层及印刷所需要的粗糙度。CN200910020922.8、CN201410151218.7、CN201110169139.5、CN201110214482、CN201310072592.3等公开了用飞秒激光对材料表面改性的微精细加工系统，并没有强调是对何种金属表面进行刻蚀加工，其微细结构未必能满足印刷版基对砂目粗糙度、以及印版宽度的要求。对于印刷制版行业，需要的是宽度在280mm以上，甚至为1600mm宽幅面的版基，尤其是含量大于99.5％的纯铝版基，需要先经过电解，生成一定大小、深浅的砂目，然后在砂目的表面氧化一定厚度的氧化铝层，而上述专利并不适合印刷版材对版基处理的要求。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷而提供了一种基于超短脉冲激光烧蚀原理对金属薄板砂目化处理的方法，本发明制备砂目的方法可以代替传统经电解砂目化及阳极氧化处理后的版基，从而达到避免阳极氧化产生的废酸及废碱污染环境的目的，并满足印刷需要的水墨平衡要求。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

本发明提供了一种基于超短脉冲激光烧蚀原理对金属薄板砂目化处理的方法，包括如下步骤：

（1）、将金属薄板置于富氧氛围中或着含有氧化剂的透明介质中；

（2）、选用超短脉冲激光对金属薄板进行烧蚀，制备出具有一定表面粗糙度的砂目，其中超短脉冲激光的激光束与金属薄板的夹角α在0°~90°之间。

步骤（1）所述富氧氛围为激光束与金属薄板接触部位吹扫空气或者纯氧，O₂的质量百分比含量在20％~99.9％之间，气体的流量在1.0 mL/min ~1.0L/min之间。整个激光头部分笼罩在一个排烟装置内，使刻蚀过程中产生的烟雾及时排走，以免影响激光刻蚀的继续进行。

步骤（1）所述氧化剂为过氧化氢、间氯过氧苯甲酸、2-碘酰基苯甲酸、次氯酸、氯酸钾、过氧酰基硝酸酯中的一种或多种混合溶液，浓度范围在0.01~2.0mol/L之间，氧化剂的循环流速在1.0 mL/min ~1.0L/min之间。将金属薄板浸在含有氧化剂的循环透明溶液中进行，这样产生的烟雾可以直接被循环的溶液吸收，同时又被氧化剂氧化生成必要的氧化层。

步骤（2）所述金属薄板进行烧蚀后的平均表面粗糙度Ra在0.1~1.0μm之间，氧化层的单位面积质量在1.0~5.0g/m²之间，以满足印刷需要的平版表面的硬度和水墨平衡需要。

步骤（2）所述金属薄板进行烧蚀后，金属薄板表面的砂目形状可以是传统砂目的大小不一的坑凹组成，也可以是圆形、方型、菱形和/或由此组成的不规则的线条性凹槽，凹槽间距在0.1~5.0μm不等，凹槽深度在10~500nm之间。形成的砂目形状以达到印刷所需要的耐印率等印刷性能要求。

所述超短脉冲激光激光束扫描宽度为280~1600mm，和/或激光头阵列的宽度为280~1600mm，以满足印刷版材对不同幅面宽度的要求。

所述超短脉冲激光为飞秒激光、皮秒激光或阿秒激光，其脉冲宽度在10^{－ 12}~10^{－ 18}秒，激光波长在100~1000nm之间。

所述金属薄板厚度为0.1~0.5mm。

所述金属薄板的材质为纯铝、铝合金、锌、铜、铁或者其它合金制成的板材或带材。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

（1）与传统氧化电解砂目相比，大大减低废液处理的成本。

（2）可以用铝合金代替纯铝，以降低成本。

（3）用超短脉冲激光刻蚀的砂目，与传统砂目的大小不规则、深浅不一相比，激光刻蚀的“砂目”更规则，更有利于网点的还原，生成更好质量的网点。

（4）不用大量的酸碱和水，降低了原材料消耗和能耗。

具体实施方式

飞秒激光微加工系统主要由飞秒激光系统、光束控制系统、聚焦系统、激光束移动控制系统（激光束阵列系统）、快门和工业控制计算机组成。

以下实施例中所用的超短脉冲激光系统相同，不再单独列出。

实施例 1

飞秒激光器使用的是掺钛蓝宝石飞秒激光系统，输出激光的波长为800nm，脉宽为130fs，重复频率为1000Hz，水平极化，单脉冲能量在0.1~1mJ可调。入射激光经双振镜(Q-mark)反射，从焦距为200mm的聚焦镜聚焦到样品表面,光斑直径约为50μm。通过衰减镜来实现能量的改变，用时间延迟装置(DG535)来控制脉冲的数目。对0.25mm厚的铝版进行飞秒激光烧蚀，得到粗糙度为0.65的具有砂目结构的铝板基。

通过以上方法，可以使铝板基表面产生一层致密、均匀的砂目结构，Ra＝0.45，氧化层单位面积质量在3.0g/m²。从而使最后生产的平印版具有较高的网点还原性能和较高的水墨平衡性，从而提高平印版的印刷品质和适用性。

实施例 2

使用Coherent公司生产的钛宝石锁模再生放大飞秒激光器，其脉冲宽度为104fs，重复频率为1kHz，中心波长为800nm。光束控制系统包括光束匀化、二分之一波片和偏振片组合的能量和偏振调节元件。聚焦系统为高速扫描振镜（Scanlab），其场镜工作距离为63mm，聚焦光斑直径为20μm。

选取激光的扫描速率为15mm/s，扫描行距为10μm，激光能量密度为1.1J/cm2，略大于铝合金的损伤阈值。结果可以对0.20mm厚的铝版进行飞秒激光烧蚀，得到粗糙度为0.43的具有砂目结构的铝板基。

通过以上方法，可以使铝板基表面产生一层致密、均匀的砂目结构，Ra＝0.54，氧化层单位面积质量在2.8g/m²。从而使最后生产的平印版具有较高的网点还原性能和较高的水墨平衡性，从而提高平印版的印刷品质和适用性。

实施例 3

使用的光源为掺钛蓝宝石飞秒激光放大系统(HP-Spitfire，NewPortInc)，产生的飞秒激光脉冲宽度为50fs、单脉冲最大能量为2mJ、重复频率为1kHz、中心波长为800nm，光束直径约为8mm，输出激光为平行于光学平台的线偏振光。入射飞秒激光经焦距f=100mm的平凸透镜聚焦后垂直照射在样品表面，聚焦光斑直径约为40mm，加工时样品上表面处于透镜焦点上方0.5mm处。可以对0.22mm厚的铝版进行飞秒激光烧蚀，得到粗糙度为0.50的具有砂目结构的铝板基。

通过以上方法，可以使铝板基表面产生一层致密、均匀的砂目结构，Ra＝0.53，氧化层单位面积质量在3.3g/m²。从而使最后生产的平印版具有较高的网点还原性能和较高的水墨平衡性，从而提高平印版的印刷品质和适用性。

Claims (9)

1.基于超短脉冲激光烧蚀原理对金属薄板砂目化处理的方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）、将金属薄板置于富氧氛围中或者含有氧化剂的透明介质中；

（2）、选用超短脉冲激光对金属薄板进行烧蚀，制备出具有一定表面粗糙度的砂目，其中超短脉冲激光的激光束与金属薄板的夹角α在0°~90°之间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述富氧氛围为激光束与金属薄板接触部位吹扫空气或者纯氧，O₂的质量百分比含量在20％~99.9％之间，气体的流量在1.0 mL/min ~1.0L/min之间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（1）所述氧化剂为过氧化氢、间氯过氧苯甲酸、2-碘酰基苯甲酸、次氯酸、氯酸钾、过氧酰基硝酸酯中的一种或多种混合溶液，浓度范围在0.01~2.0mol/L之间，氧化剂的循环流速在1.0 mL/min ~1.0L/min之间。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）所述金属薄板进行烧蚀后的平均表面粗糙度Ra在0.1~1.0μm之间，氧化层的单位面积质量在1.0~5.0g/m²之间。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤（2）所述金属薄板进行烧蚀后，金属薄板表面的砂目形状可以是传统砂目的大小不一的坑凹组成，也可以是圆形、方型、菱形和/或由此组成的不规则的线条性凹槽，凹槽间距在0.1~5.0μm不等，凹槽深度在10~500nm之间。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述超短脉冲激光激光束扫描宽度为280~1600mm，和/或激光头阵列的宽度为280~1600mm。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述超短脉冲激光为飞秒激光、皮秒激光或阿秒激光，其脉冲宽度在10^{－ 12}~10^{－ 18}秒，激光波长在100~1000nm之间。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述金属薄板厚度为0.1~0.5mm。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述金属薄板的材质为纯铝、铝合金、锌、铜、铁或者其它合金制成的板材或带材。